[发明专利]一种三维空间目标精准定位和追踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维空间目标定位、位置追踪、目标姿态测定技术领域，尤其涉及虚拟现实应用中的空间定位与追踪、运动捕捉、运动分析、康复医疗中的步态分析和目标姿态测定等方面的一种三维空间目标精准定位和追踪方法。

背景技术

空间目标三维位置和姿态测定常用的技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式、惯性式、光学式。各种方式优缺点对比如下：

随着技术的发展，目前最常用是惯性式和光学式。本发明在惯性式中引入单台摄像机，利用一台摄像机辅助惯性传感器进行空间移动目标位置的精准测定，有效地解决了惯性式方法中位置数据测定中的积累误差越来越大的缺点。

发明内容

本发明的目的是：在惯性式中引入单台摄像机，利用一台摄像机辅助惯性传感器进行空间移动目标位置的精准测定，有效解决惯性式方法中位置数据测定中的积累误差越来越大的缺点。

本发明提供了一种三维空间目标精准定位和追踪方法，本方法在被测目标上设置两个标识点：第一标识点和第二标识点、惯性传感器、一台摄像机；所述第一标识点和第二标识点之间的距离L已知；所述惯性传感器通过三轴角加速度，获得三轴角度或能够描述三轴角度的四元数。

通过公式：以下计算的前提条件是，将摄像机置于惯性传感器相同的坐标系下；

和

得到第一标识点(4)的坐标(X₁，Y₁，Z₁)和第二标识点(5)的坐标(X₂，Y₂，Z₂)；

上式中，

n＝1或2；A,B,C是由惯性传感器所确定的三轴角度推算出的平面的法相量；∝_x，∝_y，u₀，v₀为摄像机内参数，是已知量，满足

优选的，惯性传感器所确定的三轴角度得到的平面的法相量(A,B,C)的过程如下：

平面方程如下AX+BY+CZ+d＝0；

用于描述3轴角度的四元数的表达式为：

q＝q₀+i*q_x+j*q_y+k*q_z；

设初始位置时q＝1，对应的平面法矢量为

其四元数表示为r₀＝0+i*0+j*0+k*1；

任意位置时p＝p₀+i*p_x+j*p_y+k*p_z，

对应的平面发矢量为

其四元数表示为r＝0+i*A+j*B+k*C；

则r＝pr₀p^*，

即(A,B,C)可由pr₀p^*算出；

其中，p^*＝p₀-i*p_x-j*p_y-k*p_z为p^*的共轭。

优选的，所述第一标识点和第二标识点是反光球、反光贴片、特殊的图案或具有一定特征性的图像。

优选的，所述摄像机是彩色摄像机、红外摄像机、深度扫描设备等能够识别目标上的标识点或特征的光学设备或从获得的光学图像上识别标识点的位置的设备。

有益效果：本方法仅使用惯性传感器提供的三轴角度信息，不使用位置信息，避免了惯性传感器位置数据测定中累积误差越来越大的缺点。由于只使用一台摄像机，安装和移动方便灵活，而且不增加太多的成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三维空间目标精准定位和追踪方法原理图。

图2为本发明实施例中统一坐标系的说明图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

请参照图1，本方法的系统包括：被测目标1上的2个标识点(第一标识点4和第二标识点5)、惯性传感器2、一台摄像机3。

被测目标1：取一长方体作为被测目标1。